CN103436586B - 一种利用微生物发酵生物质生产酒精工艺 - Google Patents

一种利用微生物发酵生物质生产酒精工艺 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种利用微生物发酵生物质生产酒精工艺。该工艺首先采用纤维素处理剂进行处理，其次将纤维素处理剂与酿酒酵母进行混合后进行发酵生产，采用各种农业废弃物做发酵原料，多种微生物混合发酵，原料利用率高，酒精产率高，发酵周期短，成本低，适合工业应用。

Description

一种利用微生物发酵生物质生产酒精工艺
技术领域
本发明涉及发酵生产酒精技术领域，特别是涉及一种利用微生物发酵生物质(秸秆、稻杆等农业废弃物)生产酒精工艺。
背景技术
目前世界上能源短缺问题日益严重。我国每年要从国外进口大量原油及能源制品，与此同时，每年有大量的各种农业废弃物，包括稻草、麦秸、玉米秸、豆秸、高粱秸秆等，其中90%没有得到利用。这些秸杆作为原料制成燃料乙醇是一项变废为宝的事业。
目前中国的汽油消费量平均每年以6%的速度递增。2006年，中国的生物燃料乙醇产量132万元吨。但全部是以粮食为原料生产的。由此导致了严重的与农业争粮、争地问题。燃料酒精是目前急待深入研究开发的产品。发展燃料酒精不但可以消耗农业废弃物等生物质原料，促进农业种植业的持续发展，还可以作为清洁燃料替代汽油或作为汽油添加剂，减轻汽车尾气的污染，保护环境。同时，也可缓解原油的进口压力。
但目前制约生物质发酵燃料乙醇的主要因素：一是成本问题。现有技术的生物质发酵生产燃料乙醇产率低，产出的乙醇成本高于其他传统方法。二是目前国内还没有规模化、工业化的生产技术。现有的技术都只能在试验室生产。导致成本高的最根本的有以下几点：一是原料处理上只能采用高温爆破的方式，能源消耗高。二是要耗费大量昂贵的酶制剂。三是由于原料受到杂菌污染，导致利用率低。四是菌种单一，发酵周期长，产率低。
发明内容
本发明的目的就是针对上述存在的缺陷而提供一种利用微生物发酵生物质生产酒精工艺。该工艺采用各种农业废弃物做发酵原料，采用多种微生物混合发酵，原料利用率高，酒精产率高，发酵周期短，成本低，降低了能源消耗，适合工业应用。
本发明的一种利用微生物发酵生物质生产酒精工艺技术方案为，工艺步骤包括：
第一步，将生物质粉碎，生物质加水后，通入高温蒸汽进行处理；
第二步，将第一步处理过的生物质粉碎，添加质量分数为3-5%的纤维素处理剂在34-38℃的厌氧条件下，放置3-7天；
第三步，发酵菌液的制备：将酿酒酵母进行活化，并扩大培养，再将酿酒酵母和纤维素处理剂混合均匀成发酵菌液；
第四步，将第二步处理后的生物质粉碎成颗粒，加入发酵菌液和水，温度保持在34-38℃，发酵12-36小时；
第五步，分离提取酒精。
所述的生物质包括稻草、麦秸、玉米秸、豆秸、高粱秸秆。
第一步中，生物质与水的质量比1:1 ～1：5。
第二步中所述的纤维素处理剂包括枯草芽孢杆菌、里氏木霉、木素木霉、绿色木霉、黑曲霉、米曲霉、根霉、产朊假丝酵母和地衣芽孢杆菌的混合菌种，以及硫酸镁、氯化钙和蔗糖。
第二步中所述的纤维素处理剂制备步骤为：先将各菌种进行活化、扩大培养，再按照重量分数配比：枯草芽孢杆菌0.5-1.5份、里氏木霉0.5-1份、木素木霉0.5-1份、绿色木霉0.7-1份、黑曲霉0.5-1份、米曲霉0.5-1份、根霉0.5-1份、产朊假丝酵母1.5-3.6份和地衣芽孢杆菌0.5-1.5份，与硫酸镁0.5-1.2份、氯化钙0.5-1.2份和蔗糖1-2份，混合均匀。
第三步中，将酿酒酵母1-3重量份，纤维素处理剂0.9-1.5重量份混合均匀成发酵菌液。
第四步中，生物质粉碎成80-200目的颗粒。
第四步中，按照0.1-3%的重量比将发酵菌液加入发酵菌液，同时再加入10-15倍重量份的水。
本发明的有益效果为：本发明提供一种利用微生物发酵生物质(秸秆、稻杆等农业废弃物)生产酒精工艺。首先采用纤维素处理剂进行处理，本发明中的纤维素处理剂能够充分快速地处理生物质原料，缩短发酵时间；其次将纤维素处理剂与酿酒酵母进行混合后进行发酵生产，在发酵过程中不使用单一酶制剂，节约了大量的能源和昂贵的酶制剂成本，而且在原料处理和发酵阶段，各种有效菌的协同作用，同时也抑制了有害细菌的生长，提高原料的利用率，因而大大降低了生产酒精的成本。
具体实施方式：
为了更好地理解本发明，下面用具体实例来详细说明本发明的技术方案，但是本发明并不局限于此。
以下实施例中各菌种的活化使用YPD培养基或PDA培养基。扩大培养采用麦芽汁液体培养基。
实施例１
第一步，将生物质（40%重量份的麦秸、40%重量份的玉米秸、20%重量份的稻草）粉碎，按照生物质与水的质量比1：4的比例加水后，通入110～121℃的高温蒸汽处理40min。
第二步，将枯草芽孢杆菌、里氏木霉、木素木霉、绿色木霉、黑曲霉、米曲霉、根霉、产朊假丝酵母和地衣芽孢杆菌分别进行活化培养，并分别进行扩大培养，然后按照重量分数配比：枯草芽孢杆菌1.5份、里氏木霉0.5份、木素木霉0.6份、绿色木霉0.8份、黑曲霉1份、米曲霉0.9份、根霉0.8份、产朊假丝酵母2份和地衣芽孢杆菌1份与硫酸镁1.2重量份、氯化钙0.9重量份和蔗糖1.5重量份，混合均匀，制备成纤维素处理剂。
将第一步处理过的生物质粉碎到2-5cm，添加质量分数为3.5%的纤维素处理剂混合均匀后，在37℃左右的的厌氧条件下，放置5天；
第三步，发酵菌液的制备：将酿酒酵母进行活化，并扩大培养，再将酿酒酵母2重量份，纤维素处理剂1重量份混合均匀成发酵菌液。
第四步，将第二步处理后的生物质粉碎成100目的颗粒，按照1.5%的重量比将发酵菌液加入发酵菌液，同时再加入15倍重量份的水，温度保持在37℃，发酵28小时。
第五步，采用传统蒸馏方法分离提取酒精，最终得到酒精产率为19.6%。
实施例2
第一步，将生物质（30%重量份的麦秸、20%重量份的玉米秸、20%重量份的稻草、20%重量份的高粱秸秆、10%重量份的豆秸）粉碎，按照生物质与水的质量比1：5的比例加水后，通入110～121℃的高温蒸汽处理45min。
第二步，将枯草芽孢杆菌、里氏木霉、木素木霉、绿色木霉、黑曲霉、米曲霉、根霉、产朊假丝酵母和地衣芽孢杆菌分别进行活化培养，并分别进行扩大培养，然后按照重量分数配比：枯草芽孢杆菌0.5份、里氏木霉0.5份、木素木霉0.5份、绿色木霉0.7份、黑曲霉0.5份、米曲霉0.5份、根霉0.5份、产朊假丝酵母1.5份和地衣芽孢杆菌0.5份与硫酸镁0.5重量份、氯化钙0.5重量份和蔗糖1重量份，混合均匀，制备成纤维素处理剂。
将第一步处理过的生物质粉碎到2-5cm，添加质量分数为5%的纤维素处理剂混合均匀后，在37℃左右的的厌氧条件下，放置3天；
第三步，发酵菌液的制备：将酿酒酵母进行活化，并扩大培养，再将酿酒酵母2.5重量份，纤维素处理剂1.2重量份混合均匀成发酵菌液。
第四步，将第二步处理后的生物质粉碎成200目的颗粒，按照0.5%的重量比将发酵菌液加入发酵菌液，同时再加入10倍重量份的水，温度保持在37℃左右，发酵36小时。
第五步，分离提取酒精，采用传统蒸馏方法，酒精产率为17.2%。
实施例3
第一步，将生物质（50%重量份的麦秸、40%重量份的玉米秸、10%重量份的高粱秸秆）粉碎，按照生物质与水的质量比1：2的比例加水后，通入110～121℃的高温蒸汽处理20min。
第二步，将枯草芽孢杆菌、里氏木霉、木素木霉、绿色木霉、黑曲霉、米曲霉、根霉、产朊假丝酵母和地衣芽孢杆菌分别进行活化培养，并分别进行扩大培养，然后按照重量分数配比：枯草芽孢杆菌1.5份、里氏木霉1份、木素木霉1份、绿色木霉1份、黑曲霉1份、米曲霉1份、根霉1份、产朊假丝酵母3.6份和地衣芽孢杆菌1.5份与硫酸镁1.2重量份、氯化钙1.2重量份和蔗糖2重量份，混合均匀，制备成纤维素处理剂。
将第一步处理过的生物质粉碎到2-5cm，添加质量分数为3%的纤维素处理剂混合均匀后，在37℃左右的的厌氧条件下，放置7天；
第三步，发酵菌液的制备：将酿酒酵母进行活化，并扩大培养，再将酿酒酵母3重量份，纤维素处理剂0.9重量份混合均匀成发酵菌液。
第四步，将第二步处理后的生物质粉碎成160目的颗粒，按照0.1-3%的重量比将发酵菌液加入发酵菌液，同时再加入12倍重量份的水，温度保持在37℃左右，发酵24小时。
第五步，分离提取酒精，采用传统蒸馏方法，酒精产率为18.7%。
实施例4
第一步，将生物质（60%重量份的麦秸、40%重量份的稻草）粉碎，按照生物质与水的质量比1：1的比例加水后，通入110～121℃的高温蒸汽处理20min。
第二步，将枯草芽孢杆菌、里氏木霉、木素木霉、绿色木霉、黑曲霉、米曲霉、根霉、产朊假丝酵母和地衣芽孢杆菌分别进行活化培养，并分别进行扩大培养，然后按照重量分数配比：枯草芽孢杆菌0.6份、里氏木霉0.7份、木素木霉0.9份、绿色木霉0.7份、黑曲霉1份、米曲霉0.8份、根霉0.5份、产朊假丝酵母2份和地衣芽孢杆菌1.5份与硫酸镁0.8重量份、氯化钙1.1重量份和蔗糖1重量份，混合均匀，制备成纤维素处理剂。
将第一步处理过的生物质粉碎到2-5cm，添加质量分数为4%的纤维素处理剂混合均匀后，在37℃左右的的厌氧条件下，放置5天；
第三步，发酵菌液的制备：将酿酒酵母进行活化，并扩大培养，再将酿酒酵母1重量份，纤维素处理剂0.9重量份混合均匀成发酵菌液。
第四步，将第二步处理后的生物质粉碎成80目的颗粒，按照0.1-3%的重量比将发酵菌液加入发酵菌液，同时再加入10倍重量份的水，温度保持在37℃左右，发酵18小时。
第五步，分离提取酒精，采用传统蒸馏方法，酒精产率为18.1%。
实施例5
第一步，将生物质（70%重量份的玉米秸、30%重量份的稻草）粉碎，按照生物质与水的质量比1：3的比例加水后，通入110～121℃的高温蒸汽处理30min。
第二步，将枯草芽孢杆菌、里氏木霉、木素木霉、绿色木霉、黑曲霉、米曲霉、根霉、产朊假丝酵母和地衣芽孢杆菌分别进行活化培养，并分别进行扩大培养，然后按照重量分数配比：枯草芽孢杆菌1份、里氏木霉0.8份、木素木霉0.8份、绿色木霉1份、黑曲霉1份、米曲霉0.9份、根霉1份、产朊假丝酵母2.5份和地衣芽孢杆菌0.6份与硫酸镁0.7重量份、氯化钙0.7重量份和蔗糖2重量份，混合均匀，制备成纤维素处理剂。
将第一步处理过的生物质粉碎到2-5cm，添加质量分数为3.5%的纤维素处理剂混合均匀后，在37℃左右的的厌氧条件下，放置4天；
第三步，发酵菌液的制备：将酿酒酵母进行活化，并扩大培养，再将酿酒酵母1重量份，纤维素处理剂1.5重量份混合均匀成发酵菌液。
第四步，将第二步处理后的生物质粉碎成200目的颗粒，按照0.1-3%的重量比将发酵菌液加入发酵菌液，同时再加入14倍重量份的水，温度保持在37℃左右，发酵22小时。
第五步，分离提取酒精，采用传统蒸馏方法，酒精产率为18.9%。
实施例6
第一步，将生物质（30%重量份的麦秸、30%重量份的玉米秸、30%重量份的高粱秸秆、10%重量份的豆秸）粉碎，按照生物质与水的质量比1：4的比例加水后，通入110～121℃的高温蒸汽处理50min。
第二步，将枯草芽孢杆菌、里氏木霉、产朊假丝酵母和地衣芽孢杆菌分别进行活化培养，并分别进行扩大培养，然后按照重量分数配比：枯草芽孢杆菌1.2份、里氏木霉1份、产朊假丝酵母3.6份和地衣芽孢杆菌1.5份与硫酸镁1重量份、氯化钙1重量份和蔗糖2重量份，混合均匀，制备成纤维素处理剂。
将第一步处理过的生物质粉碎到2-5cm，添加质量分数为3.5%的纤维素处理剂混合均匀后，在37℃左右的的厌氧条件下，放置5天；
第三步，发酵菌液的制备：将酿酒酵母进行活化，并扩大培养，再将酿酒酵母2重量份，纤维素处理剂1重量份混合均匀成发酵菌液。
第四步，将第二步处理后的生物质粉碎成100目的颗粒，按照3%的重量比将发酵菌液加入发酵菌液，同时再加入15倍重量份的水，温度保持在37℃左右，发酵36小时。
第五步，分离提取酒精，采用传统蒸馏方法，酒精产率为10.1%。
实施例7
第一步，将生物质（70%重量份的玉米秸、30%重量份的稻草）粉碎，按照生物质与水的质量比1：3的比例加水后，通入110～121℃的高温蒸汽处理30min。
第二步，将木素木霉、绿色木霉、黑曲霉、米曲霉、根霉、产朊假丝酵母和地衣芽孢杆菌分别进行活化培养，并分别进行扩大培养，然后按照重量分数配比：木素木霉0.8份、绿色木霉1份、黑曲霉1份、米曲霉0.9份、根霉1份、产朊假丝酵母2.5份和地衣芽孢杆菌0.6份与氯化钙0.7重量份和蔗糖2重量份，混合均匀，制备成纤维素处理剂。
将第一步处理过的生物质粉碎到2-5cm，添加质量分数为3.5%的纤维素处理剂混合均匀后，在37℃左右的的厌氧条件下，放置4天；
第三步，发酵菌液的制备：将酿酒酵母进行活化，并扩大培养，再将酿酒酵母1重量份，纤维素处理剂1.5重量份混合均匀成发酵菌液。
第四步，将第二步处理后的生物质粉碎成200目的颗粒，按照0.1-3%的重量比将发酵菌液加入发酵菌液，同时再加入14倍重量份的水，温度保持在37℃左右，发酵40小时。
第五步，分离提取酒精，采用传统蒸馏方法，酒精产率为9.1%。

Claims (1)

1.一种利用微生物发酵生物质生产酒精工艺，其特征在于，工艺步骤为：
第一步，将生物质粉碎，生物质加水后，通入高温蒸汽进行处理；
第二步，将第一步处理过的生物质粉碎，添加质量分数为3-5%的纤维素处理剂在34-38℃的厌氧条件下，放置3-7天；
第三步，发酵菌液的制备：将酿酒酵母进行活化，并扩大培养，再将酿酒酵母和纤维素处理剂混合均匀成发酵菌液；
第四步，将第二步处理后的生物质粉碎成颗粒，加入发酵菌液和水，温度保持在34-38℃，发酵12-36小时；
第五步，分离提取酒精；
所述的生物质包括稻草、麦秸、玉米秸、豆秸、高粱秸秆；
第一步中，生物质与水的质量比1:1 ～1：5；
第二步中所述的纤维素处理剂包括枯草芽孢杆菌、里氏木霉、木素木霉、绿色木霉、黑曲霉、米曲霉、根霉、产朊假丝酵母和地衣芽孢杆菌的混合菌种，以及硫酸镁、氯化钙和蔗糖；
第二步中所述的纤维素处理剂制备步骤为：先将各菌种进行活化、扩大培养，再按照重量分数配比：枯草芽孢杆菌0.5-1.5份、里氏木霉0.5-1份、木素木霉0.5-1份、绿色木霉0.7-1份、黑曲霉0.5-1份、米曲霉0.5-1份、根霉0.5-1份、产朊假丝酵母1.5-3.6份和地衣芽孢杆菌0.5-1.5份，与硫酸镁0.5-1.2份、氯化钙0.5-1.2份和蔗糖1-2份，混合均匀；
第三步中，将酿酒酵母1-3重量份，纤维素处理剂0.9-1.5重量份混合均匀成发酵菌液；
第四步中，生物质粉碎成80-200目的颗粒；
第四步中，按照0.1-3%的重量比将生物质加入发酵菌液，同时再加入10-15倍重量份的水。
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